基于弹性Web服务的无线传感器网络体系结构

摘要

        当前的传感器网络都假定是为特定的应用而设计的，有着紧密耦合的数据通讯协议。预想中的未来传感器网络是借助组成它的不同种类的设备来实现广泛的应用。为达到这个目标，需要一种新的体系结构方法，使应用特有的特征与数据通讯协议相分离的同时影响其行为。我们提出一种设计传感器网络的Web服务方法，以传感器节点作为服务提供者而应用是这些服务的客户。我们的主要目标是实现一种弹性体系结构，在这个结构下传感器网络数据可以被世界各地的用户所访问。

1.介绍 

        许多科学应用要求在感兴趣的广大地理范围内，长期获取精确的数据测量。这些测量有时可以用远程传感技术完成。经常有必要用就地传感来收集数据，这就需要将传感器直接置于目标区域[13]。
 
        适于这种应用场景的一个可能的解决办法是设计由具有传感能力、处理能力（基本的）和通讯能力的节点组成的大规模多点传感器网络。这种系统可以使用成百上千通过无线网络相互连接在一起的传感器节点以担当起高度并行、准确和可靠的数据采集系统的角色。
 
        传感器是一些在能量和处理能力方面都有限制的设备，它们以ad-hoc的方式部署，并且，由于不可能维护大量可能处于不可达位置的远程节点，这些传感器必须能在无人监控的状态下运转。因此，在这样的环境下，节能成了一个极其重要的要求。
 
        传感器数据从多种采集源传送至一个或更多的可能与外部网络相连的处理点。由于每个传感器都在监控同一个现象，从不同传感器生成的数据很可能出现值得注意的冗余。利用冗余可以在网络内过滤和数据聚合的整个过程中节省传输能量。为进一步节约能量，较之直接到最终目的地的长距离通讯，短距离分段中继通讯是首选方式。这样一来，节点将自己和邻近节点的数据通过经优化的更适宜的路径传至网络出口点。 

        在传感器网络环境下，形成应用观察点以使节点通过其传感设备型号或是地理位置来识别更有用。一些研究[5, 6]提出使用以数据为中心的命名系统，而不是传统的以地址为中心的方案，比如IP。在数据为中心的方法下，节点以其提供的数据类型或其对某些传感数据类型的关注程度来定址。 

        目前的研究[5, 6] 把传感器网络看作是为特定应用而设计的，其数据通讯协议与应用紧密耦合。实际上，网络需求、组织和路由行为都随应用而改变。且不管当前传感器网络应用的特定行为，许多作者[10]都预想未来传感器网络由不同种类传感设备组成，并在它们协助下实现广泛的应用。为达到这个目标，需要一种将应用的具体要求与数据分发功能相分离的新的体系结构方法。在这种体系结构下，组件是松散耦合的，有着良好定义的接口。为达到能量效率，应用应该能动态改变网络行为。但是，这些变换应该通过公共协议以一种弹性的方式表示。这个特点将使网络的设计与使用它们的应用独立开来。 

        我们提出以一种服务方法来设计传感器网络。服务被定义为传感器节点提供的数据和将在这些数据上执行的应用（比如，一个过滤程序）。客户访问传感器网络并向这些服务提出要求。 

        这些服务是通过Web服务技术来发表和访问的[3]。通过采用Web 服务范例，我们提出了一种新颖的传感器网络体系结构，在这个结构下，Web 服务描述语言（WSDL）[15]被用来描述传感器节点的数据和功能性。Sink节点是为访问网络服务提供标准接口的Web服务。通过这样一个接口，用户应用提交的询问得以完成。 

        使用如定向扩散[5]这样传感器网络专有的路由协议，我们提供一种具有弹性并且功效强大的方法来对传感器网络上的数据进行操作、提取和交换。应用通过由sink节点上可用的Web服务提供的通用的且独立于应用的接口来访问传感器网络和修改潜在的数据分发行为。 

        本文定义了在我们的体系结构中实现定向扩散所需要的体系结构组件和WSDL元素。文章内容按如下组织：第二节涵盖了背景概念；第三节介绍了相关工作；接下来，第四和五节将系统体系结构和描述细化。最后，第六节略述了结论和未来的工作。

2.背景 

        在一个传感器网络中信息的分发是由叫做sink的节点完成的，它们执行度量工作并将来自邻近节点的数据接力传递至某些网络出口点。为了减少冗余和最小化通信量从而使能量消耗最小，由不同节点传送的数据可以聚合。为了网络中的数据聚合能以一种高效的方式进行，像数据缓存和协作信号处理这种应用专有的编码应该尽可能的在接近数据收集点的地方出现。这样的处理过程依赖于具可识特征的数据，由它们来激发应用专有的代码和数据的分段中继处理[4]。 

        基于特征的命名系统提供一种以数据为中心的方式，这不同于传统的以地址为中心的方式。

2.1.以数据为中心的通讯 

        数据为中心的寻址方式是专为传感器网络而提出的，这样的网络中节点是以其产生的数据或所在的地理位置来识别的。定向扩散[5]就是特别为传感器网络设计的以数据为中心的协议实例。在定向扩散中，单个节点将目标产生的采样波形归纳为相对大粒度的"事件"描述[5]。这样的描述包含一组属性特征。请求数据的应用通过网络中的一些sink节点发出其感兴趣的内容。这些内容也表现为一组属性特征。如果源节点生成的数据特征与这些内容相匹配，就会在网络中形成梯度以使数据被拉向sink节点。中间的节点具有缓存和传输数据的能力。 

        且不论传感器网络以数据为中心的寻址方式的种种优点，近来的研究[5, 6]假设数据表现是应用特定的或者提出低弹性表达性不好的方案。这些方法要求数据或兴趣表现模型与请求网络的应用之间的紧耦合。 

        我们可以预想一类未来传感器网络，它们被一些通过任意局部sink节点提交请求的不同应用访问。为满足这样的场景，网络应该以一种通用且独立于应用的接口来访问。 

        本文提出了一种Web 服务的方式来构建无线传感器网络。我们提议使用一种服务描述语言——WSDL[15]以及相关协议——SOAP[19],这两者都被接纳为因特网标准，以作为在传感器网络上以弹性方式描述和交流数据和兴趣关注的基础。下一节扼要介绍了Web服务技术。